İyon Değiştiriciler

İYON DEĞİŞTİRİCİLER

1.1. Tarihçe

Doğadaki sürekli
değişimin önemli nedenlerinden biri iyon değişimidir.toprak, kum ve
kayalar gibi cansız varlıklarda ve canlı organizmalardaki yaşamsal
fonksiyonlarda iyon değişimine ait bir çok örnek mevcuttur.

Bir
çok organik inorganik madde iyon değiştirici olarak
kullanılmaktadır.Örneğin; protein, selüloz, karbon, basit balçık ve
birçok mineral gibi doğal ürünler ile çevrelenmiş bir ortamdaki diğer
iyonları değiştiren taşınabilir iyon içerirler. Bu doğal maddeler düşük
bir değiştirme kapasitesine sahiptir.Bu özelliklerde pek tercih
edilmeyen fiziksel ve kimyasal özelliklerdir ki iyon değiştirici
maddelerin pratik kullanımı sınırlandırırlar.sonuç olarak,1935 yılından
önce iyon değiştirme tekniğine laboatuvarlarda ne de endüstiriyel
alanlarda geniş bir birim düzeni kullanılmıyordu.

1850’de
Thompson ve Way işlenmiş toprakta amonyum gibi çeşitli
iyonların,kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla yerdeğiştirebildikleri
şeklindeki gözlemlerini yayınladılar.Thompson’unçalışmasından
yararlanarak Spence bir cam kolonda amonyum sülfatla işleme tabi
tutulmuş kumlu kil yatak hazırlayıp yataktan suyu geçirdiği
zaman,yatakta amonyum sülfat yerine alçı bulunduğunu
görmüştür.laboratuvarda gerçekleşen bu ilk iyon değişimi Henneberg ve
Stohmann kimyasal süreç olarak yorumlamış ve bu süreçlerin tersinin
olduğunu öne sürmüşlerdir.bu olayları killer ve zeolitlerde de meydana
geldiğini önce Lenberg daha sonra ise Wiegner göstermiştir.

Bu
keşifler,suyun sertliğinin giderilmesi ve diğer amaçlara hizmet edebilen
malzemelerin kullanımı ve bu özelliklerin gösteren ürünlerin
sentezlenmesi çabalarına ışık tutmuştur.ilk sentetik iyon değiştiriciler
1903’te Harm ve Rümpler ile 1905’te Gans tarafından
hazırlanmıştır.böylece örneğin deniz suyundan altın tuulması gibi
uygulamalar gerçekleşebilecekti.

Modern iyon değiştirici
teknolojisi 1935 yılında Adams ve Holmes’in şimdiki klasik
araştırmalarıyla başladı.adam ve holmes genel olarak reçine diy bilinen
iyonları değiştirme özeliğine sahip olan sentetik polimerleri keşfeden
kişilerdir.bu keşfin patenti I.G. Farbenindüstrie şirketi tarafından
1936’da alınarak istenen özllikte iyon değiştirici reçinelerin
sistematik üretimine başlanmıştır. Polycondensation yöntemiyle elde
edilen ilk iyon değiştiricileri yerini 1945’ten sonra d’Alelionun
sülfonik asit gruplarının çapraz bağlanmış polistiren reçineye
girdirilmesinde, izlediği yöntem kullanılarak elde edilen polimerizasyon
ürünleri alınmıştır. 1945’lerden günümüze değin, iyon değiştiricilerle
ilgili araştırmalar, çevresel sorunların önem kazanmasıyla, giderek
artan ilgiyle sürmektedir.



1.2. İyon Değiştirici
Reçineler

İyon değiştiriciler , degişebilir katyon ve anyonları
taşıyan, çözünür olmayan katı maddelerdir. Bu sentetik reçineler, yapı
olarak iki kısımdan oluşur. İyon değiştirici maddelerin yapısını üç
boyutlu hidrokarbon ağı ya da (matrix) elastik oluşturur. Diğer kısmını
ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik,
iyonlaşabilen gruplar oluşturur. Organik ağ sabittir ve genel olarak
laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Ayrıca tüm pratik
amaçlar için kimyasal inerttir. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da
tepkimye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir
değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa,
sonuncusu kolayca reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla
değiştirilebilir.

Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal
tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların
dağasıyla belirlenir. Belli başlı iki iyon değştirici grup vardır.
Bunlar fonksiyonrl grupları sulu ortamların katyonlarıyla reaksiyona
girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları sulu ortamların
anyonlarıyla reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler
de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon
değiştiriciler adını alır.

Tipik bir katyon değiştirici reçinesi
olan, sitirendivinil benzen polimeri stiren (1) ve divinil benzenin (2)
kopolimerizasyonuyla hazırlanır. Polimeri kopolimerizasyon tepkimesi
sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla belli aralıklarla dönüşümlü
olarak kovalent bağla bağlanırlar. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir
hidrokarbon ağı oluşur. Eğer daha sonra sülfirik asit, polimerle
birlikte reaksiyona sokulursa, sülfirik asit grupları (-SO3-H+), stiren
divinil benzen polimerinin, benzen zincir çemberlerine girerler ve son
madde olarak yapısı şekil 1.1’de gösterilen katyon iyon değiştirici
reçine meydana gelir.



CH=CH2 CH=CH2

| |







(1)
CH=CH2

(2)



- CH - CH2 – CH - CH2 – CH -
CH2 –

| | |





SO3H | SO3H

-
CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 –

| | | |





|
SO3H SO3H |

-CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH -

|
| |





| SO3H |

- CH - - CH -